一種基于cpld的io站數字量輸入模塊及輸入方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于CPLD的IO站數字量輸入模塊及方法，由復雜可編程邏輯器件CPLD、連接背板、電源和多個功能電路組成，功能電路為保護電路、采樣電路和隔離電路；CPLD輸入接口通過所述隔離電路連接到采樣電路，采樣電路上級聯有保護電路；CPLD通信接口連接至通信接口電路，當輸入高壓數字量信號時，經由CPLD處理后通過增強型SPI通信接口電路上傳到網絡控制器連接背板接口。本發明結構簡單、成本低。采用高性能的復雜可編程邏輯器件對16路數字量輸入信號進行實時并行處理，實時性高、可靠性高。本發明可以在任何具有增強型SPI接口的設備上直接使用。
【專利說明】—種基于CPLD的IO站數字量輸入模塊及輸入方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于CPLD(Complex Programmable Logic Device)復雜可編程邏輯器件的靈活IO站數字量輸入模塊，特別涉及一種IIOV靈活IO站數字量輸入模塊及輸入方法。
【背景技術】
[0002]IO站是一種高密度的控制及采集模塊，主要應用于高速列車的電氣系統。一個標準的IO站包括網絡控制器、控制模塊(模擬及數字輸出模塊)、采集模塊(模擬及數字輸入模塊)、連接背板四大部分。其中，網絡控制器為IO站的核心，對外負責掛載通訊總線，對內負責與控制模塊及采集模塊通訊。網絡控制器、控制模塊、采集模塊通過背板銜接在一起，組成一個標準的IO站。
[0003]IO站數字量輸入模塊是標準數字(開關)量輸入模塊，即DI模塊的變形擴展應用，適用于高可靠性高密度的應用場合。目前，基于工控機的數字量輸入模塊和基于RS485總線的數字量輸入模塊通用的輸入標準為24V，無法實現高電壓(如110V)的數字量信號輸入，故此無法直接進行高壓數字量信號的采集。

【發明內容】

[0004]為了克服現有IO站數字量輸入模塊不能實現高電壓(例如110V)數字量信號輸入，本發明提出一種基于CPLD的IO站數字量輸入模塊，由復雜可編程邏輯器件CPLD、網絡連接連接背板、電源和多個功能電路組成，
[0005]所述功能電路包括保護電路、采樣電路和隔離電路；
[0006]所述CPLD的輸入接口通過所述隔離電路連接到所述采樣電路，所述采樣電路上級聯有保護電路；
[0007]所述CPLD通信接口連接至通信接口電路，當輸入高壓數字量信號時，經由CPLD處理后通過增強型SPI通信接口電路上傳到網絡控制器連接背板接口。
[0008]所述保護電路是16路IIOV保護電路，所述采樣電路是16路IIOV采樣電路，所述隔離電路是16路隔離電路。
[0009]所述增強型SPI通信接口在物理層所有從設備的MISO引腳均為三態設計。
[0010]所述增強型SPI通信接口在鏈路層每個從設備有一唯一地址，主設備通過地址先導碼指定訪問對應從設備。
[0011]優選地，所述采樣電路是電阻、電容、二極管組成的采樣電路。
[0012]優選地，所述保護電路是壓敏電阻、熱敏電阻組成的保護電路。
[0013]優選地，所述通信接口電路是高精度匹配電阻、電容組成的通信電路。
[0014]優選地，所述隔離電路是光耦、電阻組成的隔離電路。
[0015]一種如權利要求1所述的基于CPLD的IO站數字量輸入模塊的輸入方法，其步驟為:[0016]I)數字量輸入信號首先進入保護電路，后進入采樣電路中，所述采樣電路對輸入信號進行處理，同時采樣電路上級聯有保護電路；
[0017]2)經采樣處理后通過隔離電路輸入到CPLD中，該CPLD處理所述信號后通過通信接口電路上傳到網絡控制器的背板接口上；
[0018]3)根據增強型SPI接口進行數字量信號采集，完成輸入。
[0019]所述保護電路用于抗過壓或抗過流或抗浪涌。
[0020]本發明有益效果
[0021]本發明結構簡單、成本低。采用高性能的復雜可編程邏輯器件對16路數字量輸入信號進行實時并行處理，實時性高、可靠性高。本發明可以在任何具有增強型SPI接口的設備上直接使用，實用性、通用性強。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本發明16路IIOV靈活IO站數字量輸入模塊優選實施例的電路原理框圖；
[0023]圖2是本發明靈活IO站數字量輸入模塊中保護電路、采樣電路、隔離電路的具體電路圖；
[0024]圖3是本發明靈活IO站數字量輸入模塊中CPLD以及通信接口電路具體實施例的電路原理圖。
【具體實施方式】
[0025]為使本發明的上述目的、特征和優點更加明顯易懂，下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細的說明。
[0026]本發明一實施例中CPLD模塊電氣參數設為:
[0027]輸入高電平電壓:75V?190V
[0028]輸入低電平電壓:(T30V
[0029]供電電壓:24V
[0030]靜電保護:6kV
[0031]浪涌保護:IOA
[0032]增強型SPI接口參數:
[0033]速率:500kbps
[0034]從設備數量:32個
[0035]本發明提供一種基于CPLD的靈活IO站數字量輸入模塊，該模塊具有增強型SPI接口:即支持一主多從的SPI通訊架構。在物理層，所有從設備的MISO引腳均為三態設計，以便空閑時能夠實現MISO總線釋放功能；在鏈路層，每個從設備有一唯一地址，主設備通過地址先導碼指定訪問對應從設備。此IO站數字輸入模塊包括復雜可編程邏輯器件CPLD、電源及信號保護電路(抗過壓、過流及浪涌)、信號采樣電路、信號隔離電路和通信接口電路；所述復雜可編程邏輯器件(CPLD)輸入接口通過隔離電路連接到采樣電路，在采樣電路上級聯有保護電路，復雜可編程邏輯器件通信接口連接至通信接口電路。高壓數字量(110V)輸入信號先進入保護電路，即使用多重電阻及瞬態抑制二極管保護，后進入到采樣電路中對輸入信號進行處理，轉化為IOmA左右的電流信號，然后通過隔離電路輸入到復雜可編程邏輯器件中，經由復雜可編程邏輯器件(CPLD)處理后通過增強型SPI通信接口電路上傳到IO站核心一網絡控制器上的背板接口。從而實現網絡控制器通過增強型SPI接口進行高壓(110V)數字量信號采集工作。本發明的靈活IO站數字量輸入模塊可以支持實時并行處理16路IlOV數字量信號采集工作。
[0036]本發明的增強型SPI接口采用擴展SPI通信協議，其中的采樣電路由電阻、電容、二極管組成；保護電路可以由壓敏電阻、熱敏電阻組成；所述復雜可編程邏輯器件采用低功耗高可靠的的CPLD組成；通信接口電路由高精度匹配電阻、電容組成；隔離電路由光耦、電阻組成。
[0037]圖1是本發明具體實施例的電路原理框圖；如圖1所示，其為16路IlOV靈活IO站數字量輸入模塊的電路原理圖；其具有增強型SPI接口，包括復雜可編程邏輯器件CPLD、16路110保護電路、16路IlOV采樣電路、16路隔離電路和增強型SPI通信接口電路；所述復雜可編程邏輯器件輸入接口通過16路隔離電路分別連接到16路IIOV采樣電路，復雜可編程邏輯器件通信接口通過增強型SPI總線連接至網絡通信控制器，在16路IlOV采樣電路上級聯有16路IlOV保護電路。IlOV數字量輸入信號先進入保護電路，后進入到采樣電路中對輸入信號進行處理，然后通過隔離電路輸入到復雜可編程邏輯器件中，經由復雜可編程邏輯器件處理后通過通信接口電路上傳到網絡控制器的背板接口上。從而實現網絡控制器通過增強型SPI接口進行IlOV數字量信號采集工作。
[0038]圖2是本發明靈活IO站數字量輸入模塊中保護電路、采樣電路、隔離電路的具體電路圖；如圖所示，保護電路由壓敏電阻、熱敏電阻或瞬態抑制二極管組成，以進行過流、過壓或者電流浪涌、電壓浪涌的保護；采樣電路有電阻、電容、二極管組成，輸入電壓信號經過電阻給采樣電容充電，以便進行濾波及信號保持，之后經穩壓二極管分壓降壓，流經發光二極管進行指示，進而輸入到隔離電路；隔離電路由光耦、電阻組成，經過采樣電路的驅動信號輸入給隔離電路光耦輸入端，滿足光耦工作條件要求在隔離電路的輸出端產生TTL電平信號。此部分電路為反向檢測電路，輸入IlOV高電平信號量時，隔離電路TTL輸出低電平；輸入IlOV低電平信號時，隔離電路TTL輸出高電平。當然本發明的功能電路并不限于上述，本領域技術人員公知且基于本發明的技術方案能夠采用多種方式實現。
[0039]圖3是本發明靈活IO站數字量輸入模塊中CPLD以及通信接口電路具體實施例的電路原理圖；其中可編程邏輯陣列采用低功耗、高可靠的CPLD組成，其接收從隔離電路輸入的TTL電平信號，并通過擴展型SPI協議將數據傳輸給由精密電阻電容組成的匹配電路，進而傳輸給通信背板。在實際實現上，通信接口電路由低溫票高精度電阻、電容組成。
[0040]最后應當說明的是:以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制；盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解:依然可以對本發明的【具體實施方式】進行修改或者對部分技術特征進行等同替換；而不脫離本發明技術方案的精神，其均應涵蓋在本發明請求保護的技術方案范圍當中。
【權利要求】
1.一種基于CPLD的IO站數字量輸入模塊，由復雜可編程邏輯器件CPLD、網絡控制器連接背板、電源和多個功能電路組成，其特征在于， 所述功能電路包括保護電路、采樣電路和隔離電路； 所述CPLD的輸入接口通過所述隔離電路連接到所述采樣電路，所述采樣電路上級聯有保護電路； 所述CPLD通信接口連接至通信接口電路，當輸入高壓數字量信號時，經由CPLD處理后通過增強型SPI通信接口電路上傳到網絡控制器連接背板接口。
2.如權利要求1所述的基于CPLD的IO站數字量輸入模塊，其特征在于，所述保護電路是16路IlOV保護電路，所述采樣電路是16路IlOV采樣電路，所述隔離電路是16路隔離電路。
3.如權利要求1所述的基于CPLD的IO站數字量輸入模塊，其特征在于，所述增強型SPI通信接口在物理層所有從設備的MISO引腳均為三態設計。
4.如權利要求1所述的基于CPLD的IO站數字量輸入模塊，其特征在于，所述增強型SPI通信接口在鏈路層每個從設備有一唯一地址，主設備通過地址先導碼指定訪問對應從設備。
5.如權利要求1所述的基于CPLD的IO站數字量輸入模塊，其特征在于，所述采樣電路是電阻、電容、二極管組成的采樣電路。
6.如權利要求1所述的基于CPLD的IO站數字量輸入模塊，其特征在于，所述保護電路是壓敏電阻、熱敏電阻組成的保護電路。
7.如權利要求1所述的基于CPLD的IO站數字量輸入模塊，其特征在于，所述通信接口電路是高精度匹配電阻、電容組成的通信電路。
8.如權利要求1所述的基于CPLD的IO站數字量輸入模塊，其特征在于，所述隔離電路是光耦、電阻組成的隔離電路。
9.一種如權利要求1所述的基于CPLD的IO站數字量輸入模塊的輸入方法，其步驟為: 1)數字量輸入信號首先進入保護電路，后進入采樣電路中，所述采樣電路對輸入信號進行處理，同時采樣電路上級聯有保護電路； 2)經采樣處理后通過隔離電路輸入到CPLD中，該CPLD處理所述信號后通過通信接口電路上傳到網絡控制器的背板接口上； 3)根據增強型SPI接口進行數字量信號采集，完成輸入。
10.如權利要求9所述的基于CPLD的IO站數字量輸入模塊，其特征在于，所述保護電路用于抗過壓或抗過流或抗浪涌。
【文檔編號】H03K19/0175GK103901795SQ201210575549
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2012年12月26日 優先權日:2012年12月26日
【發明者】楊洪陶, 武斌, 趙琛, 于佳晨, 黃東 申請人:中國科學院軟件研究所